Circuit integrator de amplificator operațional: construcție, lucru și aplicații

Amplificatorul operațional sau amplificatorul operațional este coloana vertebrală a Analog Electronics și din multe aplicații, cum ar fi Amplificatorul sumator, amplificatorul diferențial, Amplificatorul de instrumentare, Op-Amp poate fi, de asemenea, utilizat ca integrator, care este un circuit foarte util în aplicațiile analogice.

În aplicațiile simple Op-Amp, ieșirea este proporțională cu amplitudinea de intrare. Dar când op-amp este configurat ca integrator, se ia în considerare și durata semnalului de intrare. Prin urmare, un integrator bazat pe amplificator operațional poate realiza integrarea matematică în ceea ce privește timpul. Integrator produce o tensiune de ieșire peste op-AMP, care este direct proporțională cu integrala tensiunii de intrare; prin urmare, ieșirea este dependentă de tensiunea de intrare pe o perioadă de timp.

Construcția și funcționarea circuitului integrator Op-amp

Op-amp este o componentă foarte utilizată în Electronică și este utilizată pentru a construi multe circuite utile de amplificare.

Construcția unui circuit integrator simplu folosind op-amp necesită două componente pasive și o componentă activă. Cele două componente pasive sunt rezistor și condensator. Rezistorul și condensatorul formează un filtru trece-jos de ordinul întâi pe componenta activă Op-Amp. Circuitul integrator este exact opus circuitului diferențiator Op-amp.

O configurație simplă Op-amp constă din două rezistențe, care creează o cale de feedback. În cazul amplificatorului integrator, rezistența de feedback este schimbată cu un condensator.

În imaginea de mai sus, este prezentat un circuit integrator de bază cu trei componente simple. Rezistorul R1 și condensatorul C1 sunt conectate pe amplificator. Amplificatorul este în configurație inversă.

Câștigul amplificatorului este infinit, prin urmare, intrarea inversă a amplificatorului este un teren virtual. Când se aplică o tensiune pe R1, curentul începe să curgă prin rezistor, deoarece condensatorul are o rezistență foarte mică. Condensatorul este conectat în poziția de feedback și rezistența condensatorului este nesemnificativă.

În această situație, dacă se calculează raportul de câștig al amplificatorului, rezultatul va fi mai mic decât unitatea. Acest lucru se datorează faptului că raportul de câștig, X _C / R ₁ este prea mic. Practic, condensatorul are o rezistență foarte mică între plăci și oricare ar fi valoarea R1, rezultatul de ieșire al lui X _C / R ₁ va fi foarte scăzut.

Condensatorul începe să se încarce cu tensiunea de intrare și, în același raport, impedanța condensatorului începe, de asemenea, să crească. Rata de încărcare este determinată de RC - constanta de timp a lui R1 și C1. Pământul virtual op-amp acum a fost împiedicat, iar feedback-ul negativ va produce o tensiune de ieșire pe op-amp pentru a menține starea de pământ virtuală de pe intrare.

Amplificatorul Op produce o ieșire de rampă până când condensatorul se încarcă complet. Curentul de încărcare a condensatorului scade prin influența diferenței de potențial dintre pământul virtual și ieșirea negativă.

Calculul tensiunii de ieșire a circuitului integrator de amplificator op

Mecanismul complet explicat mai sus poate fi descris prin utilizarea formării matematice.

Să vedem imaginea de mai sus. IR1 este curentul care curge prin rezistor. G este terenul virtual. Ic1 este curentul care curge prin condensator.

Dacă legea actuală a lui Kirchhoff se aplică pe joncțiunea G, care este o masă virtuală, iR1 va fi suma curentului care intră în terminalul de inversare (pinul Op-amp 2) și curentul care trece prin condensatorul C1.

iR ₁ = i _{terminal inversor} + iC ₁

Deoarece amplificatorul de operare este un amplificator de operare ideal și nodul G este un teren virtual, nu curge curent prin terminalul inversor al amplificatorului de operare. Prin urmare, i _{inversarea terminalului} = 0

iR ₁ = iC ₁

Condensatorul C1 are o relație tensiune-curent. Formula este -

I _C = C (dV _C / dt)

Acum, să aplicăm această formulă într-un scenariu practic.

Circuitul integrator de bază, care este prezentat anterior, are un dezavantaj. Condensatorul blochează DC-ul și din această cauză, câștigul DC al circuitului Op-Amp devine Infinit. Prin urmare, orice tensiune continuă la intrarea Op-amp, saturează ieșirea Op-amp. Pentru a depăși această problemă, rezistența poate fi adăugată în paralel cu condensatorul. Rezistorul limitează câștigul de curent continuu al circuitului.

Op-Amp în configurația Integrator oferă ieșiri diferite într-un tip diferit de semnal de intrare modificat. Comportamentul de ieșire al unui amplificator integrator este diferit în fiecare caz de intrare în undă sinusoidală, intrare în undă pătrată sau intrare în undă triunghiulară.

Comportamentul integratorului de amplificator op la intrarea cu undă pătrată

Dacă unda pătrată este furnizată ca intrare pentru amplificatorul integrator, ieșirea produsă va fi o undă triunghiulară sau unda dinte de ferăstrău. Într-un astfel de caz, circuitul se numește generator de rampă. În unde pătrate, nivelurile de tensiune se schimbă de la Scăzut la Înalt sau ridicat la scăzut, ceea ce face ca condensatorul să fie încărcat sau descărcat.

În timpul vârfului pozitiv al undei pătrate, curentul începe să curgă prin rezistor și în etapa următoare, curentul curge prin condensator. Deoarece fluxul de curent prin amplificatorul opțional este zero, condensatorul se încarcă. Lucrul invers se va întâmpla în timpul vârfului negativ al intrării undei pătrate. Pentru o frecvență ridicată, condensatorul are timp foarte minim pentru a se încărca complet.

Rata de încărcare și descărcare depinde de combinația rezistor-condensator. Pentru o integrare perfectă, frecvența sau timpul periodic al undei pătrate de intrare trebuie să fie mai mici decât constanta de timp a circuitului, care se numește: T ar trebui să fie mai mică sau egală cu CR (T <= CR).

Circuitul generator de unde pătrate poate fi utilizat pentru a produce unde pătrate.

Comportamentul integratorului de amplificator op la intrarea Sine Wave

Dacă intrarea pe un circuit integrator bazat pe amplificator operațional este o undă sinusoidală, amplificatorul Op în configurația integratorului produce o undă sinusoidală în fază de 90 de grade pe ieșire. Aceasta se numește undă cosinus. În această situație, când intrarea este o undă sinusoidală, circuitul integrator acționează ca un filtru activ de trecere joasă.

După cum sa discutat anterior, că în frecvență joasă sau în curent continuu, condensatorul produce un curent de blocare care, în cele din urmă, reduce feedback-ul și tensiunea de ieșire satura. Într-un astfel de caz, un rezistor este conectat în paralel cu condensatorul. Acest rezistor adăugat oferă o cale de feedback.

În imaginea de mai sus, un rezistor suplimentar R2 este conectat în paralel cu condensatorul C1. Unda sinusoidală de ieșire este defazată la 90 de grade.

Frecvența de colț a circuitului va fi

Fc = 1 / 2πCR2

Iar câștigul total DC poate fi calculat folosind -

Câștig = -R2 / R1

Circuitul generator de unde sinusoidale poate fi utilizat pentru a genera unde sinusoidale pentru intrarea integratorului.

Comportamentul integratorului de amplificator op la intrarea undelor triunghiulare

La intrarea undei triunghiulare, amplificatorul operațional produce din nou o undă sinusoidală. Deoarece amplificatorul acționează ca un filtru trece-jos, armonicele de înaltă frecvență sunt mult reduse. Unda sinusoidală de ieșire constă numai din armonici de joasă frecvență, iar ieșirea va avea o amplitudine mică.

Aplicații ale Op-amp Integrator

1. Integratorul este o parte importantă a instrumentației și este utilizat în generarea Ramp.
2. În generatorul de funcții, circuitul integrator este utilizat pentru a produce unda triunghiulară.
3. Integratorul este utilizat în circuitele de modelare a undelor, cum ar fi un alt tip de amplificator de încărcare.
4. Este utilizat în computere analogice, unde integrarea este necesară pentru a se face folosind circuitul analogic.
5. Circuitul integrator este, de asemenea, utilizat pe scară largă în convertorul analogic la cel digital.
6. Diferiti senzori folosesc, de asemenea, un integrator pentru a reproduce iesiri utile.